Академик Дегерменджи рассказал о разработках замкнутых систем жизнеобеспечения

Проекты создания поселений на Луне и Марсе обкатываются во всех ведущих космических странах. Разрабатываются ракеты, корабли, средства защиты от радиации. Однако не техника, а человек по-прежнему остается самым уязвимым звеном. Долететь - долетит, а вот сможет ли там жить? Как долго? Чем будет дышать, что есть, пить? Российские ученые убеждены: основой инопланетных баз должны стать замкнутые системы жизнеобеспечения нового типа - БИОС-4. Об этом мы говорим с директором Института биофизики Сибирского отделения РАН академиком Андреем Дегерменджи.

Андрей Георгиевич, а можно ликбез для широкого читателя: что такое вообще замкнутые системы жизнеобеспечения?

Андрей Дегерменджи: Если совсем просто, такая система состоит из блока производства нужных продуктов, например, растительных - оранжерея, и звена потребления - сам экипаж. Она обеспечивает человека пищей, воздухом и чистой водой и, что существенно, попутно утилизирует и разлагает до минеральных элементов все органические продукты жизнедеятельности. Система не зависит ни от внешних источников, ни от внешних "поставок". Это напоминает в миниатюре нашу биосферу, круговорот в которой обеспечивает практически бесконечное время ее существования.

Подобные технологии важны не только для космоса. Существует несколько вариантов развития замкнутых экосистем прикладного характера. Например, создание нового поколения экодомов - "безотходных" - в тяжелых климатических условиях Земли, в первую очередь в Арктике. И конечно, это внеземные космические поселения, а также полностью автономные подземные системы жизнеобеспечения.

Не случайно первым подобную задачу поставил еще Сергей Королев, мечтавший о полете на Луну и Марс?

Андрей Дегерменджи: Совершенно верно. И первые реально действующие замкнутые системы жизнеобеспечения были созданы в СССР еще в 60-е годы в нашем Институте биофизики СО РАН (в то время отдел биофизики Института физики СО АН СССР), который появился в Красноярске благодаря усилиям академика Леонида Васильевича Киренского.

Впервые в мире речь шла о проблеме жизнеобеспечения человека в космосе не за счет запасов с Земли, а за счет непрерывно возобновляемых ресурсов. Сначала были опыты с кровью, с простейшими, дрожжами, бактериями, водорослями. Было выяснено, как работают "обратные связи", как выживают разные виды, как можно управлять их состоянием.

Работали огромные культиваторы - сейчас музейные экспонаты в институте. Потом появились высшие растения. А эксперимент с человеком так и назвали - БИОС-1. В герметичной кабине объемом 12 кубометров находился испытатель. Там установили культиватор для выращивания водоросли хлореллы, которая вырабатывала кислород и поглощала углекислый газ.

Почему выбрали именно хлореллу?

Андрей Дегерменджи: Одноклеточная, быстро растет. Придумали так: шланг от маски идет к культиватору, человек дышит, а углекислый газ опять "загоняют" в культиватор. Провели семь экспериментов - от недели до 45 дней. Но это был лишь подход к проблеме. Система имела полностью замкнутый цикл только по кислороду и воде. Возник вопрос: а смогут ли водоросли потреблять "жидкие отходы" человека? Оказалось, смогут. Решили сделать систему, в которой водоросли будут метаболическим противовесом человеку. Из той же хлореллы попытались делать что-то съестное. Даже какие-то пирожки. Но все оказалось несъедобным.

Принципиально новым стал эксперимент БИОС-3. Был создан уже герметичный бункер с равными по площади отсеками: один - жилой модуль, а в трех разместились растения и водоросли. Решили попробовать выращивать пшеницу. Но для замкнутой системы нужно было, чтобы она имела очень короткий стебель и толстый колос. Фактически шла селекция специальных растений. В оранжереях при искусственном освещении выращивали сою, салат, чуфу, морковь, редис… Даже картофель и огурцы.

Сколько длилось самое длительное заточение?

Андрей Дегерменджи: 180 суток - с 24 декабря 1972 года по 22 июня 1973-го. Экипаж - двое мужчин и женщина - дышал кислородом, выделяемым зеленью, пил воду, которая за счет испарения (транспирации) растениями проходила многократные циклы круговорота. Испытатели обеспечивали себя пищей на 50-70 процентов. Из пшеницы сами пекли хлеб. Лишь животные белки получали из консервов и сублимированного мяса.

Без круговорота они прожили бы всего семь дней. А так - шесть месяцев! По заключению медиков, ни рацион, ни использование переработанного воздуха и воды не сказались негативно на здоровье в дальнейшей жизни. Экипаж регулярно сдавал медицинские анализы: переправляли через специальный шлюз. Были датчики. Даже был поставлен контроль кишечной микрофлоры. Исписаны целые тома результатов. Всего провели 10 экспериментов. Больше всех в БИОС-3 прожил инженер Николай Бугреев - в общей сложности 13 месяцев.

А что за история с тараканом случилась в эксперименте?

Андрей Дегерменджи: И казусная, и драматичная одновременно. Внутри бункера завелся таракан. Откуда взялся, непонятно. Но испытатели его оберегали, кормили, чуть ли не на руках носили. А однажды кто-то случайно его раздавил. Так разыгралась настоящая трагедия, как будто потеряли члена экипажа.

БИОС-3 был полностью замкнутым?

Андрей Дегерменджи: Нет. В системе были вещества, которые не возвращались в круговорот и накапливались в виде "тупиков". Например, твердые выделения, частично растворенные соли, несъедобные части растений. За счет этого нарушался баланс и падал коэффициент "замыкания". Но технология создания системы жизнеобеспечения нового типа в принципе была отработана. И это самое главное. Сегодня многие за рубежом начинают с нуля, не зная, что все это уже изобретено. Надо просто идти дальше, доводить все до ума.

Результаты окрылили?

Андрей Дегерменджи: Они были многообещающими. У нас позже уже были контракты с Европейским космическим агентством, и они очень интересовались, нет ли где "дырочки" в замкнутой системе… Однако БИОС-3 не повезло: он пришелся на лунную гонку, которую, как принято считать, Советский Союз проиграл. Ученые были готовы продолжать исследования, но работы по созданию замкнутых биосистем жизнеобеспечения свернули.

Кстати, опыт БИОС-3 был полностью учтен нашими китайскими коллегами. В 2014 году они провели похожий эксперимент в модуле "Юэгун-1", который был построен при активном участии красноярских специалистов. И до сих пор научная совместная работа ведется с ними в полную силу, например, по гранту РНФ - Китай: в его задачу входит создание математического симулятора российской и китайской замкнутой системы по прошлым опытам и поиск теоретических условий полного замыкания для будущей системы БИОС-4. Мы проверим совместимость новых созданных нами технологий круговорота, включая рыбное звено как шаг к "мясной" диете.

Сейчас в Красноярском научном центре на базе БИОС идут исследования по отработке новых технологий повышения замыкания цикла. Есть планы опробовать накопленные технологии переработки органических отходов в новом масштабном эксперименте.

Создать замкнутую биосистему в 1990-е годы попытался американский миллиардер Эдвард Басс. Он построил в Аризоне на полутора гектарах гигантскую конструкцию: с имитацией джунглей и океана, фермой с козами, свиньями и курами, бассейнами с рыбами. Завез около 3000 видов растений, животных, насекомых. Но эксперимент, названный "Биосфера-2", с треском провалился?

Андрей Дегерменджи: Я называл "Биосферу-2" Экологический Ноев Ковчег, поскольку "каждой твари по паре" там отсутствовали, но почти все биомы Земли были представлены. Два года семь бионавтов провели в "Биосфере-2". При этом с самого начала в системе стал падать уровень кислорода и расти углекислый газ. Неконтролируемые вспышки размножения насекомых, "пожелтение" зеленых растений и прочее привели к остановке опытов. Систему перезапустили, но ситуация повторилась. Эксперимент аварийно прекратили.

Красноярские ученые были там с визитом во время опытов, и академик Гительзон каким-то медицинским чутьем уловил тяжесть ситуации. Сказал: мол, будут проблемы. И когда они случились, слова академика американцы восприняли "как русские накаркали" (не знаю, есть ли точный перевод на английский). По итогам была опубликована часть результатов, но до причины так и не добрались.

А ваше мнение?

Андрей Дегерменджи: Будучи в Китае на конференции по круговороту, я китайским коллегам и американскому профессору Нельсону - руководителю опытов в "Биосфере-2" - предложил совместно создать полную математическую модель и проверить на ней возможные гипотезы как устойчивости таких систем, так и их "гибели". Что крайне важно для будущих опытов, да и будущих внеземных баз. К сожалению, сумели только проанализировать нашу и китайскую системы (упомянутый грант РНФ) в силу недоступности важных американских данных. Базовая "их" гипотеза: чрезмерное поглощение кислорода бетонными конструкциями "Биосферы-2", а растения не успевали компенсировать. Это, кстати, можно было просчитать и до опытов.

Моя гипотеза более изощренная: участки биомов, вырванные из "родных" экосистем и настроенные на "свои прошлые" обменные потоки, включая и локальные круговороты, в "Биосфере-2" попали в окружение с "чужими" соседями и существенно другими обменными потоками. Началась притирка, которая и проходила столь катастрофически. После серии неудач "Биосферу-2" передали под научный надзор Обсерватории Земли при Колумбийском университете, а в начале 2000-х выставили на продажу. Аризонский университет теперь занимается там междисциплинарными исследованиями на семи моделях разных экосистем и обучает студентов.

Ученые на космической станции проводили какие-то исследования по БИОС?

Андрей Дегерменджи: Для этого надо создавать гравитацию. Реально ли такое? При нынешнем уровне технологий - да, и инженеры работают. Во времена Королева Институт биофизики СО РАН создал установку "Карусель" с центробежной гравитацией как раз для проверки роста растений на борту станции, но она не попала на борт: не прошла очень строгую военную приемку. Дело в том, что искусственная гравитация за счет вращения космической станции как аналог земного притяжения для оранжереи тоже не изучена: природа веса этих двух сил отличается.

Какие перспективы развития российского БИОС-4?

Андрей Дегерменджи: Крайне важно фундаментальное научное направление: насколько замкнутая искусственная экосистема может являться аналогом круговорота в биосфере Земли. В этой области у нас ведутся внутренние дискуссии, поскольку, как мне представляется, механизм круговорота в биосфере существенно "сетевой", со многими звеньями и компонентами. Экспериментальная же замкнутая экосистема имеет достаточно простую линейную, конвейерную структуру, причем и со звеном, определяющим общую скорость круговорота: "звено-задатчик" - человек. Биоразнообразие на планете падает, а человечество растет по численности. И получается, что биосфера будущего приближается к замкнутой системе.

Устойчивость круговорота в БИОС-4 определяется некими правилами, математическими формулами, которые мы можем определить теоретически и проверить экспериментально. Поскольку полный опыт с экипажем затратный, то мы провели его в миниатюре: испытатель взаимодействовал с оранжереей с активностью 1/30 от своей нормы по всем(!) видам своей физиологической деятельности (дыхание, питание, выделения).

Система так и названа: "1/30 человека". Исследования показали: все получается. Полный круговорот достижим!

Это приближает "весомый" опыт с БИОС-4?

Андрей Дегерменджи: Безусловно. Очень важно, что параллельно с сугубо прикладной задачей лунных или марсианских поселений мы можем посмотреть далеко вперед и разработать фундаментальные варианты, принципы устройства будущей биосферы. Интересно, что китайские коллеги сейчас не рвутся к стопроцентному замыканию, но они пошли по пути моделирования лунных условий (лунной почвы из подобия реголита и т.п.) для будущей системы лунной базы - возможность добычи воды и др. Нас приглашают в эту новую ветвь исследований. Скорее всего, мы будем сочетать и то и другое.

Напрашивается предложение "Роскосмосу": организовать специальную космическую сессию в рамках СО РАН, а также более активно привлечь Институт биофизики - пионера этих исследований в мире к разработке прототипа модуля российской (или совместной) лунной базы. Наши текущие исследования в рамках госзадания абсолютно не соответствуют китайскому темпу.